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換熱器作為工藝過程必不可少的單元設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的30%~40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設(shè)備總臺數(shù)的40%。由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟效益有著重要的影響。
一、換熱器的分類
1. 按換熱器的用途分類
(1) 加熱器：加熱器用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。
(2) 預(yù)熱器：預(yù)熱器用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的效率。
(3) 過熱器：過熱器用于加熱飽和蒸汽，使其達到過熱狀態(tài)。
(4) 蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱液體，使之蒸發(fā)汽化。
(5) 再沸器：再沸器是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于加熱已冷凝的液體，使之再受熱汽化。
(6) 冷卻器：冷卻器用于冷卻流體，使之達到所需要的溫度。
(7) 冷凝器：冷凝器用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化。
2. 按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類
(1) 管式換熱器：管式換熱器通過管子壁面進行傳熱，按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱管、套管式換熱器、蛇管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用最廣。
(2)板式換熱器：板式換熱器通過板面進行傳熱，按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器。
3. 按換熱器所用材料分類
(1) 金屬材料換熱器：金屬材料換熱器是由金屬材料制成，常用金屬材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。由于金屬材料的熱導(dǎo)率較大，故該類換熱器的傳熱效率較高，生產(chǎn)中用到的主要是金屬材料換熱器。
(2)非金屬材料換熱器：非金屬材料換熱器由非金屬材料制成，常用非金屑材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。該類換熱器主要用于具有腐蝕性的物料由于非金屬材料的熱導(dǎo)率較小，所以其傳熱效率較低。
二.換熱器結(jié)構(gòu)與性能特點
(一)管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式
1.管殼式換熱器
管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設(shè)備。它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、造價低廉、用材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛，在換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種。
（1）固定管板式換熱器管
它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。
其結(jié)構(gòu)特點是，兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。整個換熱器分為兩部分：換熱管內(nèi)的通道及與其兩端相貫通處稱為管程；換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。冷、熱流體分別在管程和殼程中連續(xù)流動，流經(jīng)管程的流體稱為管（管程）流體，流經(jīng)殼程的流體稱為殼（殼程）流體。
若管流體一次通過管程，稱為單管程。當(dāng)換熱器傳熱面積較大，所需管子數(shù)目較多時，為提高管流體的流速，常將換熱管平均分為若干組，使流體在管內(nèi)依次往返多次，則稱為多管程。管程數(shù) 可為2、4、6、8，太大，雖提高了管流體的流速，從而增大了管內(nèi)對流傳熱系數(shù)，但同時會導(dǎo)致流動阻力增大。因此，管程數(shù)不宜過多，通常以2、管程最為常見。
殼流體一次通過殼程，稱為單殼程。為提高殼流體的流速，也可在與管束軸線平行方向放置縱向隔板使殼程分為多程。殼程數(shù) 即為殼流體在殼程內(nèi)沿殼體軸向往、返的次數(shù)。
分程可使殼流體流速增大，流程增長，擾動加劇，有助于強化傳熱。但是，殼程分程不僅使流動阻力增大，且制造安裝較為困難，故工程上應(yīng)用較少。為改善殼程換熱，通常采用折流擋板，通過設(shè)置折流擋板，以達到實現(xiàn)強化傳熱的目的。
固定管板式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗方便。其缺點是殼程不能進行機械清洗；
當(dāng)換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產(chǎn)生溫差應(yīng)力，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。
（2）浮頭式換熱器
浮頭式換熱器浮其結(jié)構(gòu)特點是兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。
浮頭式換熱器的優(yōu)點是當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴，發(fā)生內(nèi)漏，造成兩種介質(zhì)的混合。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。
（3）U 型管式換熱器
U 型管式換熱器其結(jié)構(gòu)特點是只有一個管板，換熱管為 U 型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與 U 型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U 型管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。
其缺點是管內(nèi)清洗比較困難；由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)層管間距大，殼程易短路；內(nèi)層管子壞了不能更換，因而報廢率較高。
U 型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。
（4）填料函式換熱器
填料函式換熱器其結(jié)構(gòu)特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。
填料函式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏，對易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。
填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場合。
（5）釜式換熱器
釜式換熱器結(jié)構(gòu)特點是在殼體上部設(shè)置適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)空間，同時兼有蒸汽室的作用。管束可以為固定管板式、浮頭式或 U 型管式。
釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱，可作為最簡結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐。
管殼式換熱器除上述五種外，還有插管式換熱器、滑動管板式換熱器等其它類型。
2．蛇管式換熱器
蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)備。通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。
蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)備。通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。
（1）沉浸式蛇管換熱器此種換熱器多以金屬管彎繞而成，制成適應(yīng)容器的形狀，沉浸在容器內(nèi)的液體中。兩種流體分別在管內(nèi)、管外進行換熱。幾種常用的蛇管形狀。
沉浸式蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、便于防腐蝕、能承受高壓。其缺點是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，管外流體的傳熱膜系數(shù)較小，故常需加攪拌裝置，以提高其傳熱效率。
（2）噴淋式蛇管換熱器，此種換熱器多用于冷卻管內(nèi)的熱流體。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，熱流體自下部的管進入，由上部的管流出。
冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上，并沿著管外表面淋瀝而下，降至下層蛇管表面，最后收集在排管的底盤中。該裝置通常放在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。
與沉浸式蛇管換熱器相比，噴淋式蛇管換熱器具有檢修清理方便，傳熱效果好等優(yōu)點。其缺點是體積龐大，占地面積大；冷卻水量較大，噴淋不易均勻。蛇管換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、常被用于制冷裝置和小型制冷機組中。
3.套管式換熱器
套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型肘管順次連接，外管與外管互相連接而成的，其構(gòu)造如圖片4-43所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱面積要求而增減。換熱時一種流體走內(nèi)管，另一種流體走環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面。
套管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單；能耐高壓；傳熱面積可根據(jù)需要增減；適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，且兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。其缺點是單位傳熱面積的金屬耗量大；管子接頭多，檢修清洗不方便。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。
（二）板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式
1.平板式換熱器
平板式換熱器簡稱板式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖片4-46所示。它是由一組長方形的薄金屬板平行排列，夾緊組裝于支架上面構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)通道的大小。
每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和板面上的流道相通，另兩個圓孔則不相通。它們的位置在相鄰板上是錯開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流動，通過金屬板片進行換熱。
板片是板式換熱器的核心部件。為使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動，常將板面沖壓成凹凸的波紋狀，波紋形狀有幾十種，常用的波紋形狀有水平波紋、人字形波紋和圓弧形波紋等。
板式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備所提供的換熱面積大；組裝靈活，可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；板面波紋使截面變化復(fù)雜，流體的擾動作用增強，具有較高的傳熱效率；拆裝方便，有利于維修和清洗。
其缺點是處理量小；操作壓力和溫度受密封墊片材料性能限制而不宜過高。板式換熱器適用于經(jīng)常需要清洗、工作環(huán)境要求十分緊湊，工作壓力在2.5 MPa以下，溫度在 -35℃~200℃場合。
2.螺旋板式換熱器
螺旋板式換熱器如圖片4-48所示，它是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成的。兩張薄金屬板形成兩個同心的螺旋型通道，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷、熱流體分別通過兩條通道，通過薄板進行換熱。
螺旋板式換熱器的優(yōu)點是螺旋通道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾，在較低雷諾數(shù)下即達到湍流，并且允許選用較高的流速，故傳熱系數(shù)大；
由于流速較高，又有慣性離心力的作用，流體中懸浮物不易沉積下來，故螺旋板式換熱器不易結(jié)垢和堵塞；由于流體的流程長和兩流體可進行完全逆流，故可在較小的溫差下操作，能充分利用低溫?zé)嵩矗唤Y(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的傳熱面積約為管殼式換熱器的3倍。
其缺點是：操作溫度和壓力不宜太高，目前最高操作壓力為2MPa，溫度在400℃以下；因整個換熱器為卷制而成，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，維修很困難。
3.熱板式換熱器
熱板式換熱器是一種新型高效板面式換熱器，其傳熱基本單元為熱板。其成型方法是按等阻力流動原理，將雙層或多層金屬平板點焊或滾焊成各種圖形，并將邊緣焊接密封組成一體。
平板之間在高壓下充氣形成空間，實現(xiàn)最佳流動狀態(tài)的流道結(jié)構(gòu)形式。各層金屬板的厚度可以相同，亦可以不同，板數(shù)可以為雙層或多層，這樣就構(gòu)成了多種熱板傳熱表面形式，如不等厚雙層熱板、等厚雙層熱板、三層不等厚熱板、四層等厚熱板等，設(shè)計時，可根據(jù)需要選取。
熱板式換熱器具有最佳的流動狀態(tài)，阻力小，傳熱效率高；根據(jù)工程需要可制造成各種形狀，亦可根據(jù)介質(zhì)的性能選用不同的板材。熱板式換熱器可用于加熱、保溫、干燥、冷凝等多種過程，作為一種新型的換熱器，具有廣闊的應(yīng)用前景。
（三）熱管換熱器的結(jié)構(gòu)形式
以熱管為傳熱單元的熱管換熱器是一種新型高效換熱器，它是由殼體、熱管和隔板組成的。熱管作為主要的傳熱元件，是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置。
它是一種真空容器，其基本組成部件為殼體、吸液芯和工作液。將殼體抽真空后充入適量的工作液，密閉殼體便構(gòu)成一只熱管。當(dāng)熱源對其一端供熱時，工作液自熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化，攜帶潛熱的蒸汽在壓差作用下，高速傳輸至殼體的另一端，向冷源放出潛熱而凝結(jié)，冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量乃不斷從熱端傳至冷端。
熱管按冷凝液循環(huán)方式分為吸液芯熱管、重力熱管和離心熱管三種。吸液芯熱管的冷凝液依毛細管的作用回到熱端，這種熱管可以在失重情況下工作；重力熱管的冷凝液是依靠重力流回?zé)岫耍膫鳠峋哂袉蜗蛐裕话銥榇怪狈胖秒x心熱管是靠離心力使冷凝液回到熱端，通常用于旋轉(zhuǎn)部件的冷卻。
熱管按工作液的工作溫度分為深冷熱管、低溫?zé)峁堋⒅袦責(zé)峁芎透邷責(zé)峁芩姆N。深冷熱管在200K以下工作，工作液有氮、氫、氖、氧、甲烷、乙烷等；低溫?zé)峁茉?200~550K 范圍內(nèi)工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中溫?zé)峁茉?50~750K范圍內(nèi)工作，工作液有導(dǎo)熱姆A、水銀、銫、水及鉀─鈉混合液等；高溫?zé)峁茉?50K 以上工作，工作液有液態(tài)金屬鉀、鈉、鋰、銀等。
熱管的傳熱特點是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動和蒸汽冷凝三步進行，由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度都很大，而蒸汽流動阻力損失又較小，因此熱管兩端溫度差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。
因此，它特別適用于低溫差傳熱及某些等溫性要求較高的場合。熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、工作可靠、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，可用于氣─氣、氣─液和液─液之間的換熱過程。下圖為熱管換熱器應(yīng)用實例。
